工艺技术_板料的冲压工艺课件

第八章板料的冲压工艺 第一节分离工序 第二节变形工序 第三节冲模的分类和构造 第四节冲压工艺过程的制定 板料冲压 是利用装在冲床上的冲模对金属板料加压 使之产生变形或分离 从而获得零件或毛坯的加工方法 板料冲压又称薄板冲压或冷冲压 板料冲压通常在室温下进行 故又称冷冲压 当板料厚度超过8 10mm时 需采用热冲压 板料冲压的特点 1 在常温下加工 金属板料必须具有足够的塑性和较低的变形抗力 2 金属板料经冷变形强化 获得一定的几何形状后 结构轻巧 重量轻 强度和刚度较高 3 冲压件尺寸精度高 质量稳定 互换性好 一般不需机械加工即可作零件使用 节省原材料 5 可以冲压形状复杂的零件 废料少 6 冲压模具结构复杂 精度要求高 制造费用高 只适用于大批量生产 冲压工艺广泛应用于汽车 飞机 农业机械 仪表电器 轻工和日用品等工业部门 板料冲压的基本工序 板料冲压的基本工序按变形性质可分为分离工序和变形工序两大类 4 冲压生产操作简单 生产率高 便于实现机械化和自动化 第一节分离工序 分离工序是使坯料的一部分与另一部分相互分离的工序 如落料 冲孔 切断 精冲等 一 落料及冲孔 落料是被分离的部分为成品 而周边是废料 冲孔是被分离的部分为废料 而周边是成品 落料及冲孔 统称冲裁 是使坯料按封闭轮廓分离的工序 51 板料的冲裁过程如下图所示 凸模与凹模具有与工件轮廓一样的刃口 凸 凹模之间存在一定的间隙 当压力机滑块将凸模推下时 放在凸 凹模之间的板料冲裁成所需的工件 板料的冲裁示意图 1 冲裁过程 图8 1冲裁时板料的变形过程 冲裁时板料的变形过程可分为三个阶段 如图8 1所示 当凸模开始接触板料并下压时 板料产生弹性压缩 弯曲 拉伸等变形 凸模继续下压 板料的应力达到屈服点 板料发生塑性变形 当板料应力达到抗剪强度时 板料在与凸 凹模刃口接触处产生裂纹 当上下剪裂纹相连时 板料便分成了两部分 1 冲裁变形过程可分为三个阶段 蹋角 圆角 带 刃口附近材料被弯曲和拉伸的结果 光亮带 塑性变形过程中凸模 或凹模 挤压切入材料 使其受到剪切和挤压应力的作用而形成 表面光滑 断面质量最好 剪裂 断裂 带 由于刃口处的微裂纹在拉应力作用下不断扩展断裂而形成 表面粗糙 略带斜度 毛刺 微裂纹出现时产生 冲头继续下行时被拉长 2 冲裁件切断面上的区域特征 冲裁件的切断面不很光滑 并有一定锥度 它可分为如下几个区域 2 冲裁凸凹模间隙 52 冲裁间隙是指冲裁凸模与凹模之间工作部分的尺寸之差 如图所示 即 Z D凹 D凸冲裁间隙不仅对冲裁件的质量起决定性的作用 而且直接影响模具的使用寿命 图冲裁间隙 间隙过小 凸模刃口处裂纹相对于凹模刃口裂纹向外错开 两裂纹之间的材料随着冲裁的进行将被第二次剪切 在断面上形成第二光亮带 因间隙太小 凹凸模受到金属的挤压作用增大 增加了材料与凹凸模之间的摩擦力 刃口所受压力增大 造成模具刃口变形及端面磨损加剧 加剧了凹凸模的磨损 缩短了模具寿命 严重时甚至发生崩刃现象 间隙过大 凸模刃口处裂纹相对于凹模刃口裂纹向内错开 板料受拉伸 弯曲的作用加大 拉应力增大 易产生剪裂纹 塑性变形阶段较早结束 致使切断面光亮带减小 剪切断面圆角 塌角 和锥度增大 导致冲裁件平面产生翘曲现象 上下裂纹不重合 工件有明显的厚而大的拉断毛刺 且难以去除 因此 落料件的外形尺寸较小 冲孔件的内腔尺寸增大 品质较差 但推件力和卸料力却大为减少 甚至为零 材料对凹凸模的摩擦作用大大减弱 故模具的寿命较长 适用于公差无特殊要求的批量较大的冲裁件 较小的间隙有利于提高冲裁件的质量 较大的间隙则有利于提高模具的寿命 间隙合理 间隙合理时 上下裂纹重合一线 冲裁力 卸料力和推件力适中 模具有足够长的寿命 光亮带占板厚的1 2 1 3 圆角带 断裂带和锥度很小 零件的尺寸几乎与模具一致 影响间隙值的主要因素 是板料厚度及材料性质 板料厚度愈大 间隙数值愈大 反之板料愈薄则间隙愈小 通常冲裁软钢 铝合金 铜合金等材料时 模具间隙取板厚的6 8 冲裁硬钢等材料时 模具间隙取板厚的8 12 实际生产中 模具的间隙数值可通过查表8 1获得 合理的间隙值有相当大的变动范围 约为5 25 在保证冲裁件质量的前提下 应采用较大的间隙 3 凸模 凹模刃口部分尺寸计算 53 冲孔和落料所用的模具结构基本相同 但刃口部分的尺寸有所区别 凸模和凹模刃口尺寸直接决定了冲裁件的尺寸和间隙大小 是模具中最重要的尺寸 模具刃口设计原则如下 落料时 落料件的尺寸是由凹模决定的 因此应以落料凹模为设计基准 冲孔件的尺寸是由凸模决定的 因此应以冲孔凸模为设计基准 模具磨损后将使模具凹模尺寸变大 凸模尺寸变小 因此设计模具时 对于落料件 凹模是设计基准 凹模刃口尺寸应接近落料件的最小极限尺寸 凸模刃口尺寸比凹模缩小一个间隙量 对于冲孔件 凸模是设计基准 凸模刃口尺寸应接近冲孔件的最大极限尺寸 凹模刃口尺寸比凸模放大一个间隙量 具体计算公式如下 落料 冲孔 4 冲裁力的计算 54 式中 D凹 D凸 分别为落料凹模和凸模的基本尺寸 mm d凸 d凹 分别为冲孔凸模和凹模的基本尺寸 mm Dmax 落料件的最大极限尺寸 mm dmin 冲孔件的最小极限尺寸 mm 冲裁件的公差 mm x 磨损系数 其值应在0 5 1之间 与冲裁精度有关 当工件公差为IT10以上时 x 1 当工件公差为IT11 IT13时 x 0 75 当工件公差为IT14以下时 x 0 5 凹 凸 分别为凹模和凸模的制造公差 冲裁时材料对模具的最大抗力称为冲裁力 冲裁力是选择压力机的主要依据 也是设计模具所必须的依据 冲裁力大小与板料的材质 厚度及冲裁件周边的长度有关 普通平刃口冲裁模冲裁力的计算方法如下 P KL 3 14 式中P 冲裁力 N L 冲裁件周长 mm 板料厚度 mm 55 K 安全系数 通常取1 3 材料的抗剪强度 MPa 查手册或 0 8 b5 冲裁件的排样 排样是指落料件在条料 带料或板料上合理布置的方法 排样合理则废料最少 材料利用率最大 如图 所需板料分别为 182 75mm2 117mm2 225 25mm2 97 5mm2 落料件的排样有两种类型 无搭边排样 用落料件的一个边作为另一个落料件的边 该方法材料利用率很高 但毛刺不在同一个平面上 尺寸不够准确 适用于对落料件品质要求不高的场合 图8 4同一落料件的四种排样方式 有搭边排样 各落料件之间均留有一定尺寸的搭边 该方法毛刺小 而且在同一个平面上 落料件尺寸准确 品质较高 但材料消耗多 对精度要求较高的零件常在冲裁后再进行修整 即在修整模上利用切削的方法 将冲裁件的外缘或内孔切去很薄一层金属 切掉冲裁件切断面上存留的剪裂带和毛刺 提高冲裁件的尺寸精度 降低表面粗糙度 以获得平直而光洁的断面的一种工艺方法 修整时应合理确定修整余量和修整次数 大间隙落料件 单边修整量为板料厚度的10 小间隙落料件 单边修整量为板料厚度的8 以下 二 冲裁后的修整 修整总量大于一次修整量 或板料厚度大于3mm时 需多次修整 但修整次数越少越好 外缘修整时凹凸模间隙单边取 0 001 0 01mm 修整后的工件尺寸精度可达IT6 IT7 Ra值为0 8 1 6 m 三 精密冲裁 原理精密冲裁是指通过一次冲压行程即可获得低表面粗糙度和高精度的冲裁零件的工艺方法 精密冲裁是利用小间隙的凸 凹模获得纯塑性剪切变形 避免出现撕裂现象的原理 从而获得既不带锥度又表面光洁的冲裁件 图8 6精冲原理示意图 a 带齿圈压板精冲法 b 精冲时坯料变形区受力情况 c 普通冲裁的法 1 凸模 2 齿圈压板 3 板料 4 顶板 5 凹模 一般冲裁 精度为IT10 IT11 Ra 12 5 3 2 精密冲裁 IT8 IT9 Ra 3 2 0 20 用普通冲裁所得到的工件 剪切断面比较粗糙 而且还会产生塌角 毛刺等缺陷并带有斜度 工件的尺寸精度较低 精密冲裁 简称精冲 是指在专用精冲压力机或普通压力机上使用带V形齿圈压板的精密冲裁法 它是在普通冲裁基础上发展起来的一种冲裁工艺 精冲的工作原理如图8 6所示 精冲时 齿圈压板2将板料3压紧在凹模5表面 V形齿压入材料 使坯料径向受到压缩 当凸模下压时 板料处于凸模1的下压力 齿圈压板2的压边力及顶板4的反压力的共同作用下 此外由于凸 凹模的间隙很小 坯料处于强烈的三向压应力状态 提高了材料的塑性 抑制了剪切过程中裂纹的产生 使冲裁过程以接近于纯剪切的变形方式进行 特点 材料分离形式 纯塑性剪切变形 断面质量 全是光亮带 间隙及刀口形式 精冲凸 凹模间隙要比普通冲模小的多 凸 凹模的刃口也不一定做成很锋利 而有时须做成圆弧及圆角形式 毛刺 毛刺是在板料分离将要结束时形成的 形成后不再变形 不再被拉长 精冲的工件极限尺寸较小 可冲裁宽度或孔径小于料厚的0 5 0 7mm的工件 对原材料要求须有良好的塑性 使用模具设备比普通冲裁复杂 使用自动及精冲专用设备 或在普通冲床上使用精冲模 成本低 对同一精度冲裁件精冲提高了效率 普通冲裁需加整修工序 节约工时 降低成本 应用 目前广泛用于一些精密的电子仪器 仪表 钟表及照相机零件的生产 精密冲裁法 改变冲裁条件 以增大变形区的静水压作用 抑制材料的断裂 使塑性剪切变形延续到剪切的全过程 在材料不出现剪裂纹的冲裁条件下实现材料的分离 从而得到断面光滑而垂直的精密零件 第二节成形工序 一 拉深 1 拉深变形过程及特点 拉深过程如图示 其凸模和凹模有一定的圆角 其间隙一般稍大于板料厚度 拉深件的底部一般不变形 厚度基本不变 直壁厚度有所减小 圆筒形零件的拉深 采用拉深方法可生产筒形 阶梯型 锥形 球形 方盒形及其他不规则形状的薄壁零件 因此 拉深工艺在汽车 拖拉机 电器 仪表工业中得到广泛的应用 将平面板料冲压成各种空心开口件的冲压工序称为拉深 拉深又称为拉延 引伸 延深等 58 视频拉深工序 直径为D 厚度为t的毛坯经拉深模拉深 变成内径为d 高度为h的开口圆筒形工件 在拉深过程中 毛坯的中心部分成为圆筒形工件的底部 基本不变形 毛坯的凸缘部分是主要变形区域 拉深过程实质就是将凸缘部分的材料逐渐转移到筒壁部分 在转移过程中部分材料由于拉深力的作用以及材料间的相互挤压作用 在其径向和切向分别产生拉应力和切应力 在两种应力的共同作用下 凸缘部分的材料发生塑性变形 在凸模的作用下不断被压入凹模形成圆筒形开口空心件 图3 34为圆筒形工件的拉深过程示意图 拉深工序见视频 图3 34圆筒形工件拉深过程示意图 由于上述应力的作用 拉深件的壁厚在不同的部位有减薄或增厚的变化 侧壁的上部增加最多 靠近底部的圆角部位附近 壁厚最小 也是拉深过程中最容易破裂的部分 底部和侧壁的拉应力应限制在不使材料发生塑性变形内 而环形区内的径向拉应力应达到或超过材料的屈服极限 任何部位的应力总和应小于强度极限 否则会造成拉穿缺陷 同时环状变形区的切向压力很大 易使板料出现皱折 应采取措施预防 拉深变形具有以下特点 变形区是板料的凸缘部分 其他部分是传力区 板料变形在切向应力和径向拉应力的作用下 产生切向压缩和径向伸长的变形 拉深时 金属材料产生很大的塑性流动 板料直径越大 拉深后筒形直径越小 其变形程度越大 经过拉深后 筒形件壁部的厚度与硬度都会发生变化 筒壁愈靠上 切向压缩愈大 壁部愈厚 变形量愈大 加工硬化现象严重 硬度愈高 筒壁的底部靠近圆角处 几乎没有切向压缩 变形程度小 加工硬化现象小 材料的屈服点低 壁厚变薄 整个筒壁部由上而下壁厚逐渐变小 硬 薄板料拉深时最容易产生破裂 1 拉裂 2 拉深中常见的废品及防止措施 拉裂是筒形件拉深时的最主要的破坏形式 拉深时 极限变形程度就是以不拉裂为前提的 防止拉裂的措施是 图8 8拉裂 正确选择拉伸系数 拉深件直径d与坯料直径D的比值称为拉深系数 用m表示 即m d D 拉深系数不小于0 5 0 8 坯料的塑性差取上限值 塑性好取下限值 如果拉深系数过小 不能一次拉深成形时 则可采用多次拉深工艺 第一次拉深系数m1 d1 D第二次拉深系数m2 d2 d1 第n次拉深系数mn dn dn 1总的拉深系数m m1 m2 mn 60 在拉深工艺设计时 必须知道冲压件需要几道工序才能完成 它直接关系到冲压件的质量及成本 拉深次数取决于每次拉深时允许的极限变形程度 拉深系数m是指每次拉深后筒形件直径与拉深前毛坯 或半成品 直径的比值 是衡量拉深变形程度的重要工艺参数 如图8 9所示 图8 9多次拉深时筒形件直径的变化 凸凹模的圆角半径为r 板料材质为钢 厚度为 则 r凹 10 r凸 0 6 1 r凹若两个圆角半径过小 则容易拉裂 合理设计拉深凸凹的圆角半径 合理设计凸凹的间隙 一般取凸凹模的间隙为 z 1 1 1 2 比冲裁模间隙大 间隙过小 模具与拉深件间的摩擦力增大 容易拉裂工件 擦伤工件表面 缩短模具寿命 间隙过大 又容易使拉深起皱 影响拉深件的精度 注意润滑 在凹模与坯料的接触面上涂敷润滑剂 以利坯料向内滑动 减少摩擦 降低拉深件壁部的拉应力 减少模具磨损 防止拉裂 59 2 起皱拉深时 凸缘部分是拉深过程中的主要变形区 而凸缘变形区的主要变形是切向压缩 当切向压应力较大而板料又较薄时 凸缘部分材料便会失去稳定而在凸缘的整个周围产生波浪形的连续弯曲 这就是拉深时的起皱现象 如图8 10所示 为防止起皱 实际生产中常采用压边圈来提高拉深时允许的变形程度 如图8 11 也可通过增加毛坯的相对厚度或拉深系数的途径来防止 图8 10起皱的拉深件 图8 11有压边圈的拉深 3 板料尺寸及拉深力的确定板料尺寸按拉深前后表面积不变的原则进行计算 方法 1 把拉深件划分成若干容易计算的部分 分别计算出其表面积 2 各表面积之和即得所需板料的总表面积 再求出板料直径 拉伸力的确定 设备的吨位应比所需的拉伸力大 对于圆筒件 最大拉伸力按下式计算 Fmax 3 b s D d r凹 二 弯曲 将金属材料沿弯曲线弯成一定的角度和形状的工艺方法称为弯曲 1 弯曲变形过程板料弯曲中最基本的是V形件的弯曲 其弯曲过程如图8 12所示 开始弯曲时 板料的弯曲内侧半径大于凸模的圆角半径 随凸模的下压 板料内侧半径逐渐减小 同时弯曲力臂也逐渐减小 当凸模 板料 凹模三者完全压合 板料的内侧半径及弯曲力臂达到最小时 弯曲过程结束 图8 12板料弯曲过程 弯曲变形通常只发生在弯曲件的弯曲角范围内 圆角以外基本上不变形 板料靠近凸模的内侧长度缩短 受压 靠近凹模的外侧长度伸长 受拉 板料中间中性层长度不变 当板料外侧受到的拉应力超过板料的抗拉强度时 外层金属被拉裂 2 弯曲变形的特点 1 工件2 凸模3 凹模弯曲过程b 弯曲产品 56 弯曲件在弯曲变形结束后 会伴随一些弹性恢复从而造成工件弯曲角度 弯曲半径与模具的形状 尺寸不一致的现象 称为弯曲件的回弹现象 如图8 12 1所示 弯曲件的回弹会直接影响其精度 因此 在设计弯曲模时应使模具的弯曲角 p比弯曲件弯曲角 小一个回弹角 回弹角通常小于10 材料的屈服强度愈高 相对弯曲半径愈大 则回弹值愈大 当弯曲半径一定时 板料愈厚 则回弹愈小 图8 12 1弯曲时的回弹 最小弯曲半径 弯曲件的最小弯曲半径不能小于材料许可的最小半径 否则会造成弯曲处外层材料的破裂 弯曲件的直边高度 弯曲臂过短不易弯成 应使臂长度h 2t 如图8 12 2所示 如必须短臂时 应先弯成长臂再切去多余部分 3 弯曲件的结构工艺性 57 图8 12 2弯曲件的结构工艺性 弯曲件孔边距 带孔件弯曲时 为避免孔被拉成椭圆 孔不能离弯曲处太近 应使L 2t 弯曲件半径较小的弯边交接处 容易因应力集中而产生裂纹 应事先在交接处钻出工艺孔 以预防裂纹的产生 如图8 12 2所示 弯曲时尽可能使弯曲线与板料的纤维方向垂直 若是一致 则容易产生破裂 可用增大最小弯曲半径来避免破裂 图8 13弯曲时的纤维方向 三 其它冲压成型 胀形主要用于平板毛坯的局部胀形 或叫起伏成型 如压制凹坑 加强筋 起伏形的花纹及标记等 另外 管类毛坯的胀形 如波纹管 平板毛坯的拉形等 均属胀形工艺 胀形 翻边是在坯料的平面部分或曲面部分上使板料沿一定的曲率翻成竖立边缘的冲压成型方法 内孔翻边 图9 15 和外缘翻边 翻边 旋压的基本要点是 1 合理的转速 2 合理的过渡形状 3 合理加力 旋压 翻边筒 旋压 一 简单冲模 在冲床的一次冲程中只完成一个工序的冲模 称为简单冲模 模具简单 造价低 第三节冲模的分类和构造 简单冲模 冲床的一次冲程中 在模具不同部位上同时完成数道冲压工序的模具 称为连续模 生产率高 要求定位精度高 二 连续冲模 级进模 连续冲模 冲床的一次冲程中 在模具同一部位上同时完成数道冲压工序的模具 称为复合模 精度高 模具复杂 三 复合模 落料拉伸复合模 拉伸件 一 分析冲压件的工艺性 1 对冲裁件的要求 冲裁件的形状应力求简单 对称 有利于材料的合理利用 图8 20 同时应避免长槽与细长悬臂结构 图8 21 否则制造模具困难 利用率高 利用率高 落料外形不合理 第四节冲压工艺的制定过程 图8 20零件形状与节约材料的关系 冲压件的工艺性是指冲压件对冲压加工工艺的适应性 冲压工艺性良好 则零件在满足使用要求的前提下 能以最简单 最经济的冲压方式加工出来 图8 21不合理的落料件外形 1 冲压件的结构工艺性 冲裁件的内 外形转角处 要尽量避免尖角 应以圆弧连接 以避免尖角处应力集中被冲模冲裂 最小圆角半径见表8 2 为避免冲裁件变形 冲孔件尺寸与厚度关系合理 如图8 22所示 孔间距 孔边距和外缘凸出 凹进的尺寸都不能过小 孔的尺寸也不应太小 在弯曲件或拉伸件上冲孔时 孔边与直壁之间应保持一定距离 表8 2落料件 冲孔件的最小圆角半径 图8 22冲孔件尺寸与厚度关系 弯曲件形状应尽量对称 弯曲半径不能小于材料允许的最小弯曲半径 并应考虑弯曲方向垂直于材料纤维方向 以免成型过程中弯裂 弯曲边过短不易弯成型 故应使弯曲边高度H 2 若H 2 则必须压槽 或增加弯曲边高度 然后加工去掉 如图8 23 弯曲带孔件时 为避免孔的变形 孔的边缘距弯曲中心应有一定的距离 如图8 24 图中L 1 5 2s 当L过小时 可在弯曲线上冲工艺孔 如对零件孔的精度要求较高 则应弯曲后再冲孔 2 对弯曲件的要求 图8 23弯曲件直边高度 图8 24避免弯曲件孔变形的方法 3 对拉伸件的要求 拉深件外形应简单 对称 且不宜太高 以便使拉深次数尽量少 并容易成型 拉深件的圆角半径 如图示 应满足 rd R 2 r 3 5 否则 应增加整形工序 拉深件的壁厚变薄量一般要求不应超出拉伸工艺壁厚变化的规律 最大变薄率约在10 18 左右 图8 25拉深件的圆角半径 2 改进结构以简化工艺及节省材料 采用焊接结构 对于复杂的冲压件 可分别冲制若干个简单件 然后再焊接成整体件 如图8 26 图8 26冲压焊接结构零件 采用冲口工艺 以减少组合件数 如图8 27 原设计用三个件铆接或焊接组合 现采用冲口工艺 制成整体零件 节省了材料 简化了工艺过程 图8 27冲口工艺的应用 图8 28消声器后盖零件结构 在使用性能不变的情况下 应尽量简化拉伸件的结构 以减少工序 节省材料 降低成本 如图8 28 经过改进后的冲压加工工序由8道减为2道 材料消耗减少50 改进前 改进后 冲压工艺的一般精度为 落料不超过IT10 冲孔不超过IT9 弯曲不超过IT9 IT10 拉深件高度尺寸精度为IT8 IT9 经整形工序后尺寸精度达IT6 IT7 拉深件直径尺寸精度为IT9 IT10 一般要求 冲压件表面品质不高于原材料所具有的表面品质 对冲压件的精度要求应适当 不应超过冲压工艺所能达到的一般精度 并在满足需要的情况下尽量降低要求 以免增加工序 降低生产率 提高成本 二 拟订冲压工艺方案 1 选择冲压基本工序的依据 冲压基本工序的选择 主要是根据冲压件的形状 尺寸 公差及生产批量确定的 1 剪裁和冲裁剪裁与冲裁都能实现板料的分离 小批生产 尺寸和公差大 形状规则的外形板料 剪床剪裁 大量生产 各种形状的板料和零件 冲裁模冲裁 平面度要求高的零件 加校平工序 3 冲压件的精度和表面质量 2 弯曲小批生产 手工打弯 窄长大型件 折弯机压弯 大批生产 较大件 弯曲模压弯 弯曲半径太小时 加整形工序 3 拉深空心件 拉深模一次或多次拉深成形 用修边工序达到高度要求 小批量旋转空心件 旋压加工 大型空心件 工艺允许时 用铆接或焊接代替拉深 2 确定冲压工序的原则 1 对于有孔或有切口的平板零件 当采用单工序模冲裁时 一般应先落料 后冲孔 或切口 当采用连续模冲裁时 则应先冲孔 或切口 后落料 2 对于多角弯曲件 当采用简单弯模分次